CC BY
81
Список литературы
1. Бобров В.В. Основы теории резания. М.: Машиностроение, 1976.
344 с.
2. Основы технологии машиностроения: учебник для вузов/ А.С. Ямников [и др.]. Тула: Изд-во ТулГУ, 2006, 269 с.
Nguyen Van Cuong
GENERAL METHODOLOGY FOR OPTIMIZATION OF CUTTING CONDITIONS The methods for optimization of cutting conditions are de scribed regarding productive parameter of process under limitation of cutting accuracy, roughness offabricated surface, power of machine, and strength offorce assemblies.
Key words: durability, wear, accuracy, productivity.
Получено 14.12.11
УДК 621.938
Э.П. Басалаев, д-р техн. наук, проф., (7903)697-61-23, basalaev.eduard@yandex.ru (Россия, Тула, ТулГУ), К.Х. Нгуен, магистрант, (7953)967-84-08, (Россия, Тула, ТулГУ), Д.Э. Басалаев, канд. техн. наук, доц., (8487)35-20-12, (Россия, Тула, ТулГУ)
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБЖИМА ПОЛЫХ ЦИЛИНДРОВ С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММЫ DEFORM - 3D
Рассматриваются результаты исследования процесса обжима полых цилиндров с помощью компьютерного моделирования в среде программы DEFORM-3D, проводится сравнения с экспериментальными данными.
Ключевые слова: моделирование, обжим, полые цилиндры.
Компьютерное моделирование процессов обработки металлов давлением в последние годы широко применяется в машиностроительной практике. Имеющиеся численные методы решения задач прикладной механики позволяют прогнозировать возможные трудности при выполнении технологических операций, учитывать влияние множества технологических факторов, оценивать напряженно-деформированное состояние (НДС) заготовки и инструмента [1].
Необходимость моделирования процесса обжима детали типа полых цилиндров возникла в связи с разрушение пуансона из стали 20 в ходе деформирования после нескольких рабочих циклов. Проблема была реше-
на экспериментально путем замены применяющегося в технологическом процессе смазочного материала. Очевидно, что в данной ситуации подобные эксперименты с дорогостоящим твердосплавным инструментом приводят к значительному увеличению затрат на его изготовление и замену, а также не гарантируют увеличение срока эксплуатации [2].
Исследование напряжений в заготовке и инструменте в ходе процесса обжима было проведено методом конечных элементов [3, 4]. Процесс моделировали с помощью программного пакета DEFORM™ - 3D [5], являющегося системой конечно-элементного моделирования, которая предназначена для анализа трёхмерного (3D) течения металла при различных процессах обработки металлов давлением.
Метод конечных элементов представляет собой эффективный численный метод решения инженерных и физических задач. Этот метод является численным методом решения дифференциальных уравнений, встречающихся в физике и технике. Область его применения простирается от анализа напряжений в конструкциях или автомобилях до расчета таких сложных систем, как атомная электростанция. С его помощью рассматривается движение жидкости по трубам, через плотины, в пористых средах, исследуется течение сжимаемого газа, решаются задачи электростатики и смазки, анализируются колебания систем.
Основная идея метода конечных элементов состоит в том, что любую непрерывную величину, такую, как температура, давление или перемещение, можно аппроксимировать дискретной моделью, которая строится на множестве кусочно-непрерывных функций, определенных на конечном пространстве подобластей. Кусочно-непрерывные функции определяются с помощью значений непрерывной величины в конечном числе точек рассматриваемой области.
В общем случае непрерывная величина заранее неизвестна и нужно определить значения этой величины в некоторых внутренних точках области. Дискретную модель, однако, очень легко построить, если сначала предположить, что числовые значения этой величины в каждой внутренней точке области известны. После этого можно перейти к общему случаю. Итак, при построении дискретной модели непрерывной величины поступают следующим образом:
1. В рассматриваемой области фиксируется конечное число точек. Эти точки называются узловыми точками или просто узлами.
2. Значение непрерывной величины в каждой узловой точке считается переменной, которая должна быть определена.
3. Область непрерывной величины разбивается на конечное число подобластей, называемых элементами. Эти элементы имеют общие узловые точки и в совокупности аппроксимируют форму области.
4. Непрерывная величина аппроксимируется на каждом элементе полиномом, который определяется с помощью узловых значений этой величины. Для каждого элемента определяется свой полином (функция элемента), но полиномы подбираются таким образом, чтобы сохранялась непрерывность величины вдоль границ элемента.
Программный пакет DEFORM™ - 3D широко применяется в промышленности и научно-исследовательской деятельности по всему миру. Разработку и техническую поддержку системы DEFORM™ - 3D осуществляет фирма «Scientific Forming Technologies» (SFTC), в течении многих лет, занимающаяся внедрением средств моделирования технологических процессов в производство.
Программные продукты DЕFORМ, основанные на методе конечным элементов, доказали свою эффективность и точность более чем двадцатилетним применением их на различных предприятиях. Мощный решатель системы способен анализировать течение металла и температурные показатели заготовки и инструмента при деформациях любой величины с очень высокой точностью.
Автоматический генератор сеток позволяет создать сетку конечным элементов, размеры которых, в различных частях модели, будут различаться в зависимости от специфики анализируемого процесса. Это существенно уменьшает общую размерность задачи и требования к аппаратным средствам. Кроме того, пользователь системы DEFORM™ - 3D имеет возможности в «ручном» режиме настраивать плотность сетки и соотношение размеров конечных элементов.
Несмотря на то, что DEFORM позволяет проводить моделирование очень сложных процессов, интерфейс этой системы крайне прост и легок в освоении. Кроме того, при помощи DEFORM™ - 3D можно легко, без помощи посторонних CAD систем, строить геометрические модели заготовок и инструмента.
При помощи системы DEFORM™ - 3D можно моделировать, так же, разделительные операции и механообработку. Таким образом, DEFORM™ - 3D является программным комплексом, позволяющим производить всеобъемлющий анализ металлообработки, начиная с операций раздела проката на заготовки, заканчивая операциями окончательной механообработкой.
Основные свойства программного пакета DEFORM™ - 3D:
1) определение деформаций и параметров теплопередачи, наглядное представление распределения деформации и напряжений в деформируемом теле;
2) полностью автоматическое преобразование сетки конечных элементов во время моделирования;
3) наличие библиотеки оборудования для горячей и холодной штамповки.
4) модель материала может быть жесткой, жесткопластической, уп-ругопластический, пористой и упругой;
5) благодаря функции отслеживания точек можно узнать любой доступный параметр в любой точке поковки.
6) можно прогнозировать опасное место или место возникновения разрушения материала в процессе штамповки.
С использованием программного пакета DEFORM™ - 3D было проведено компьютерное моделирование процесса обжима трубных заготовок с коэффициентом обжима d/D=0,75 при значениях угла ската матрицы а = 32 и 22о, соответствующих коэффициентам утонения s/s0 = 0,9 и 1.
Результаты моделирования отражаются на экране компьютера в виде цветных 3D-моделей заготовки после обжима (рис. 1, 2). Каждый цвет отображает характеристики своей зоны. Например, на рис. 1 светло-синий цвет обозначает, что в этой зоне возникает опасность разрушения изделия, а на рис. 2 красный цвет показывает максимальное значение напряжения в данной зоне.
В правой части изображений даны цветовые шкалы с числовыми значениями напряжений (Мп), соответствующими цветовой гамме, что позволяет визуально оценить величины возникающих напряжений.
Как видно из рис. 1, 2, при назначенных технологических параметрах потерь устойчивости у заготовок не возникает.
Step 56
Damags Step 100
Vv* '"li t
а
б
Рис. 1. SD-модели заготовки после обжима: а - при угле ската матрицы а = S20 и коэффициенте утонения s/s0 = 0,9; б - при угле ската матрицы а = 22о и коэффициенте
утонения s/s0 = 1
267
а
б
Рис. 2. Распределение напряжений на SD-модели заготовки
после обжима:
а - при угле ската матрицы а = S20 и коэффициенте утонения s/s0 = 0,9; б - при угле ската матрицы а = 22о и коэффициенте
утонения s/s0 = 1
На рис. 3 представлены фотографии заготовок, полученных после обжима в ходе реального эксперимента, с указанными выше технологическими параметрами.
а
б
Рис. 3. Заготовки после обжима, полученные в ходе реального эксперимента: а - при угле ската матрицы а = 32о и коэффициенте утонения 8/80 = 0,9; б - при угле ската матрицы а = 22о и коэффициенте
утонения 8/80 = 1
Сравнение результатов компьютерного моделирования с результатами экспериментальных исследований процесса обжима [6] показало, что если отсутствуют требования по качеству поверхностей изделия, то результаты компьютерного моделирования с использование программного пакета DEFORM™ - 3D хорошо согласуются с полученными экспериментальными данными.
Список литературы
1. Попов Е.А. Основы теории листовой штамповки. 2-е изд., пере-раб. и доп. М.: Машиностроение, 1977. 278 с.
2. Горбунов М.В. Штамповка деталей из трубчатых заготовок. М.: Машиностроение, 1960. 189 с.
3. Чижиков Ю.М. Теория подобия и моделирование процессов обработки металлов давлением. М., 1970. 296 с.
4. Колмогоров В. Л. Элементы теории физического моделирования процессов обработки металлов давлением, анализ размерностей, аналогии. Свердловск, 1975. 80 с.
5. http://www.deform.com/products/deform-3d/.
6. Басалаев Э. П., Голышев А. А., Дамберг Е. С. Экспериментальные исследования процесса обжима с утонением // Известия ТулГУ. Сер. Механика деформированного твердого тела и обработка металлов давлением. Вып. 2. 2004. С. 168-178.
E.P.Basalaev, K.H.Nguen, D.E.Basalaev
THE SIMULATION OF THE PROCESS SQUEEZING OF HOLLOW CYLINDERS USING PROGRAM DEFORM-3D
Results of research of process of compression of hollow cylinders by means of computer modelling in the environment of program DEFORM-3D are considered. The comparisons with experimental data are spent.
Key words: simulation, squeezing, hollow cylinders.
Получено 14.12.11
